新工科背景下“光電器件”課程科研反哺教學新模式探索

韋 瑋，楊利平，馮 鵬，袁 剛

（重慶大學 光電工程學院，重慶 400044）

引言

“光電器件”課程內容聚焦國際光電技術科技前沿，覆蓋發光二極管、太陽能電池、光電探測器等軍用、民用領域的核心光電子器件，是光電信息科學與工程專業的核心必修課程。隨著信息產業新技術的發展，光成為最主要的信息載體，且迎來了光電信息科技迅速發展的時期，出現了許多新的科學分支和技術增長點，國家建設迫切需要大批具有信息工程知識背景的高素質專業人才［1］。“光電器件”課程具有學科交叉、課程知識豐富、課程實踐性強等特點，該課程為培養光電領域高素質專業人才提供了重要支撐。

當前，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新興經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創新，推進新工科的建設與發展［2-3］。在此背景下，如何為國家光電領域培養一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，是對“光電器件”傳統課堂教學模式提出的新挑戰［4］。近年來以美國為首的歐美國家在高端光電子器件領域對中國實施技術封鎖，突破光電子技術“卡脖子”難題［5］，發展自主可控的高端光電子器件，是我國當前面臨的重大難題。因此，國家亟須高校培養大批優秀的高素質高水平光電專業人才。然而，該課程在教學過程中存在課程內容前沿性欠缺、課程內容涉及多學科交叉、科研教學案例偏少、教學考核方式單一、評價體系具有局限性等問題。因此，如何改進“光電器件”課堂教學方法，提高教學質量，優化課程內容，提高學生的學習興趣，成為本門課亟須解決的關鍵問題。

一、“光電器件”課程教學現狀及存在問題

“光電器件”是針對光電信息科學與工程專業本科三年級學生開設的核心必修課程。課程系統介紹了發光二極管、光電探測器、熱探測器、太陽能電池等典型的光電器件基本結構、工作原理、器件制備方法、器件表征技術等。學習本課程之前，學生已經系統地學習過“大學物理”“工程光學”“模擬電子技術”等課程，具備學習本課程的基礎半導體物理知識。本課程教學團隊根據多年教學經驗，總結出該課程教學過程中存在的問題，具體如下。

（一）授課內容基礎性強，但前沿性欠缺

隨著光電子技術的飛速發展，“光電器件”課程內容更新速度與光電子行業發展相比，明顯滯后。課堂教學中大多注重基礎性內容的講授，但前沿性內容欠缺，導致學生課堂學習時容易失去動力，沒有新鮮感。例如傳統課程內容中存在大量的新概念介紹、公式推導、原理分析等，學生對這些枯燥的概念理解及公式推導較為抵觸，很可能會導致他們迅速失去對本課程的學習興趣。

（二）內容多學科交叉，學習難度較大

“光電器件”是一門“理論—材料—器件—應用”多學科交叉的核心課程，這就要求學生在學習本門課程前理應具備理論物理、半導體物理、工程光學等基礎知識，但是由于學生前期基礎的差異，學生在理解本課程內容時的難易程度也不同，學習難度較大。例如在學習光電探測器單元內容時，需要學生了解并掌握材料生長、工藝制備、器件封裝、系統應用的相關知識，然而在有限的課時內學生顯然難以將所有的知識點都理解到位，無法對重點問題進行深入研究學習，最終導致教學效果不理想。

（三）授課以講授為主，科研教學案例偏少

傳統課程知識通常過分強調專業知識的傳授，課堂模式往往形成了教師單向灌輸、學生被動接受的局面。導致學生只注重書本知識的學習訓練，忽視對相關專業知識的拓展學習，科研交叉前沿知識局限化，培養過程和教學內容滯后于時代發展的要求。教學模式沒有創新，導致作為認知主體的學生處于被動地接受知識的地位，學生學習的主動性被忽視，甚至被壓抑。此外，學生缺少足夠的實踐教育資源，忽視了工科教育自身實踐與理論學習相結合的特點，導致大量學生在進入社會時缺乏動手實踐能力，喪失核心競爭力。

（四）教學考核方式單一，評價體系有局限性

在以往傳統教學中，學生考核成績往往是評價學生對本課程掌握情況的唯一標準。然而這種評價方式具有一定的局限性，雖然傳統考試的方式普遍應用在對學生成績的評價之中，但是這種評價方式具有偶然性，并不能完全反映出學生對所學知識整體的掌握程度以及實踐創新能力。傳統的考核方式僅僅能反映出學生應對考試的能力以及對書本內容的掌握程度，不能很好地反映出學生對書本內容以外知識的掌握程度以及自主創新實踐能力。

二、“光電器件”科研反哺教學改革探索

重慶大學光電工程學院“光電器件”教學團隊多年來一直針對課程教學存在的難題，提出科研反哺教學的新方法，從課程思政、授課內容、授課方法、評價考核手段等方面進行了初步的改革探索與實踐，并取得了一定的教學成效。教學為科研培養人才，科研則為人才培養提供學術思維鍛煉的平臺。科研反哺教學，實現二者協同發展是提高大學生獨立思考能力、自主創新能力和社會實踐能力的重要舉措［6-9］。針對上述教學難題，提出以下科研反哺教學改革方法。

（一）積極推進課程思政建設

課程思政是指以構建全員全程全方位育人大格局的形式將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，把立德樹人作為教育的根本任務的一種綜合教育理念［10］。深入落實立德樹人根本任務，積極推進課程思政建設，將思政元素糅進教學內容中，將全面提升人才培養質量。例如在“光電器件”課程教學中，給學生講解中國科學院上海技術物理研究所方家熊院士為解決空間用紅外傳感器技術基礎及工程問題，不畏艱難，勇攀高峰，最終成功實現了碲鎘汞紅外器件對1～15μm探測的全波段覆蓋，助力我國航天事業發展的勵志故事，厚植愛國主義情懷，培養學生勵志科研報國的矢志初心。在講授光刻章節時，給學生講解美國為壟斷移動通信技術，阻礙我國5G芯片的發展而通過其盟友加拿大對華為的孟晚舟實施非法拘押的事件，激發學生奮斗進取的定力，培養砥礪前行的決心。

（二）精選科研成果融入課堂教學

傳統課堂教學中，學生從課本上獲取的知識無法跟上最新的研究進展。教師應該將科學前沿的知識與研究熱點融入教學過程中，使學生及時獲取本專業最新的研究動態。同時，將最新的科研成果結合相應課程改編為教學案例為學生進行講解，引導學生進行討論交流，增強學生對本專業相關科學領域的學習主動性。例如，在新型光電探測器相關章節的課程教學中，教師可以將新型的二維材料光電器件與課堂教學有機結合，介紹最前沿的石墨烯光電探測器、單光子探測器、鈣鈦礦太陽能電池等，為學生展現本領域的科研動向，拓寬學生的科學視野，同時激發學生的學習興趣，引導學生主動去探索科學的奧秘，加深學生對基本概念的深入理解，注重對學生的研究能力、創新意識及創新能力的逐步提升，將學生從課堂教學帶入工程應用領域，使學生深切體會課程的重要性。

（三）探索多學科背景教師教學模式

在教學模式上，建立一種多學科背景教師助力一門課程教學的交叉滲透人才培養新模式，促使相近學科的教師能更好地交流合作，逐步形成一個跨學科、跨專業團結協作的學科教學群。實現多位不同學科背景的科研教師對一門課程進行反哺教學，有效地利用青年教師豐富的科研資源。例如在本門課程學習中，針對多學科交叉內容，可以邀請材料制備、器件加工等不同學科背景的教師給學生開設小型課堂講座或課外答疑討論等多種課堂教學形式，拓展學生的知識面，并及時查漏補缺，加深對課堂內容的理解，降低課程的學習難度。

（四）引入實際工程模擬仿真案例

“光電器件”課程內容豐富，知識點甚多，但對于本科生來說理論部分分析過于深入，公式煩瑣抽象，很難理解其中的物理意義，這種課程給教師教學帶來了很大的困難。引入實際工程模擬仿真案例進行教學是近年來課堂實驗教學的新手段，利用Comsol Multiphysics、FDTD等有限元電磁仿真軟件，對一些光學現象進行仿真復現，加深學生對知識的理解和掌握。教師可以基于以上仿真軟件，結合自身科研成果，設計適合本科教學的虛擬仿真實驗，例如通過Comsol Multiphysics仿真軟件研究如何提升光電探測器響應靈敏度及探測率，利用FDTD有限元仿真軟件研究如何通過設計發光二極管的逃逸角提高器件的量子效率等。通過這些課堂實驗教學，提高學生的學習主動性，激發學生的學習熱情。

（五）打造產學研合作第二課堂

探索基于“課堂教學、研究所實驗實訓、校企聯合學習”三位一體的產學研合作教學模式。堅持以專業能力素質培養為核心，明確學生專業課程實踐教學在學生能力素質培養中的目的。例如積極推動與中電科技集團重慶聲光電有限公司、聯合微電子中心、中國科學院重慶綠色智能技術研究院、重慶四聯光電科技有限公司等企業及科研院所的合作，通過邀請校外導師采用線上線下混合教學的方式，共同參與課程教學，將企業科研院所最新的科技案例融入課堂內容，打造產學研合作第二課堂。利用學校和社會兩種教育環境，合理安排課程學習，使教學內容更加貼近社會發展的需求，促進學生科研能力、實踐能力和整體素質的提高，達到培養高層次創新人才的目的。

（六）發展多樣化的教學考核評價方式

科研反哺教學的最終目的是充分發揮學生的主觀能動性，培養學生的自主學習意識，提高學生的科研能力。因此在教學考核方式上，教師應摒棄傳統僅以期末考試成績和日常考勤為標準的考核方式，增加互動討論、課外文獻研讀、調研展示等形式多樣的考核方式，例如布置LED照明、LED顯示等前沿科技調研任務，讓學生以三人為一組開展調研學習，并以PPT形式在班級進行展示分享，教師針對調研情況及PPT展示情況進行考核評價。給學生布置本專業最新的文獻閱讀任務，按照學生提交的文獻調研報告進行考核評價。此外，教師應積極啟發學生參與國家級大學生創新創業計劃、SRTP項目等科研活動，拓展學生的科學視野，建立科研思維，并將參與科研項目情況列入考核評價標準中。

結語

“光電器件”課程是光電信息科學與工程專業的一門核心必修課程，課程涉及發光二極管、光電探測器和太陽能電池等光電器件的基本結構、工作原理、器件制備方法、器件表征技術。本文針對“光電器件”課程教學現狀及存在的問題，布局了“光電器件”課程教學的總體改革探索方案，發展了前沿科研成果反哺于課堂教學的教學模式。在此基礎上探索了多交叉背景教師教學新模式，引入科研實踐案例，改進了課堂教學方法，打造產學研合作第二課堂，提升了課堂教學質量。針對學生的學習情況，提出了多樣的教學考核方式，建立了完備的科研反哺教學效果評價參考標準。“光電器件”課程科研反哺教學改革是一個長期、循序漸進的過程，相信以上的課程教學改革探索方案能夠給教師和學生提供足夠的發揮空間，使之深入認識科研反哺教學，最終實現科研反哺教學的目標。